CN104113219A - Lcc谐振式高频正弦波电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LCC谐振式高频正弦波电源，包括输入整流滤波电路、BUCK开关电路、全桥开关电路、LCC谐振变换、变压器、电压取样电路；所述输入整流滤波电路、BUCK开关电路、全桥开关电路、LCC谐振变换、变压器依次串联，所述电压取样电路的输入端与变压器的输出端相连，输出端与BUCK开关电路的控制端相连，所述输入整流滤波电路的输入端作为电源的输入端，所述变压器的输出端作为电源的输出端。本发明的LCC谐振式高频正弦波电源，能够产生幅度稳定、小THD的高频正弦波电压。

Description

LCC谐振式高频正弦波电源

技术领域

本发明属于正弦波电源技术领域，特别是一种幅度稳定性好、总谐波失真小的LCC谐振式高频正弦波电源。。

背景技术

正弦波电源是一种能够输出频率稳定、幅度不变的正弦波电压源的电源，应用最广泛的正弦波电源有逆变电源、不间断电源(UPS-Uninterrupted Power Supply)等。正弦波电源也可广泛应用于涡流加热装置、高压型强流加速器、高压倍压塔等中，但是由于传统正弦波电源的产生方式都是使用SPWM(SPWM-Sinusoidal Pulse WidthModulation)控制模式，要产生高品质的正弦波电源，SPWM波的采样频率就必须高过正弦波频率的很多倍，要保证THD(THD-Total Harmonic Distortion)满足指标的话，SPWM控制的开关管工作频率一般为输出正弦波频率的30倍，由于功率器件开关频率所限，所以使用SPWM控制模式的正弦波电源难以完成较高频率的正弦波输出。但是在一些特定工作环境下，对体积或者重量有较高要求时，工频或者中频的正弦波逆变电源体积庞大且笨重，无法满足使用要求，所以正弦波电源的频率提高也成为了一个热门问题。

传统的正弦波逆变电源输出频率较低，只涉及工频到中频范围，而传统的高频正弦波发生器功率很低，都是信号功率，只有瓦级的功率输出，高频的正弦波电源也会弥补这一空白。

2003年西安理工大学的李金刚等人和兰州大学的陈尚文等人在《原子能科学技术》第37卷第3期发表了一篇题为《一种高频大功率正弦波电源的分析与设计》的论文，主要介绍了一种采用负载并联谐振电路的高频大功率正弦波电源系统和产生正弦波的原理。文中提到了一种利用电源拓扑特点来产生高质量正弦波的方法，摆脱了正弦波用SPWM波控制的一些局限性，可以在一定程度上完成高频正弦波电源的设计要求。文中介绍的方法是并联谐振变换器(PRC-Parallel Resonant Converter)，PRC电路较为简单，只有谐振电感L，谐振电容C以及并联在谐振电容上的负载电阻R，但是由于拓扑结构的限制，PRC电路所产生的正弦波电源负载特性不佳，空满载超调约15％，输出额定功率时THD约5％，负载变化时回路的增益和输出波形的失真度都会发生较大的变化，不适合使用在变化负载的情况下，而且空载损耗较大。

总之，现有高频正弦波电源存在幅度稳定性差、总谐波失真(THD-Total HarmonicDistortion)较大的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种LCC谐振式高频正弦波电源，能够产生具有良好的幅度稳定性和较小的THD的高频正弦波电源。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种LCC谐振式高频正弦波电源，包括：

用于将供电输入的交流电压整流滤波为直流电压的输入整流滤波电路；

用于根据正弦波电源输出的取样反馈进行直流电压变换，输出可调直流电压的BUCK开关电路；

用于根据可调直流电压，产生一个频率稳定、占空比恒定的脉冲电压的全桥开关电路；

用于将脉冲电压变换为正弦波电压的LCC谐振变换电路；

用于正弦波电压的隔离输出的变压器；

用于对正弦波电压输出取样，反馈至BUCK开关电路的电压取样电路；

所述输入整流滤波电路、BUCK开关电路、全桥开关电路、LCC谐振变换、变压器依次串联，所述电压取样电路的输入端与变压器的输出端相连，输出端与BUCK开关电路的控制端相连，所述输入整流滤波电路的输入端作为电源的输入端，所述变压器的输出端作为电源的输出端；

供电输入的交流电压，经输入整流滤波电路整流滤波为直流电压，BUCK开关电路根据正弦波电源输出的取样反馈，将直流电压变换为可调直流电压输出给全桥开关电路，由全桥开关电路产生一个频率稳定、占空比恒定的脉冲电压，经LCC谐振变换电路变换为正弦波电压，由变压器隔离输出，电压取样电路对正弦波电压输出取样，反馈至BUCK开关电路，调节BUCK开关电路的电压输出。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、幅度稳定性好：本发明的LCC拓扑相比传统的PRC具有更好的负载响应能力，电源由额定负载突变至空载时,电压超调小于5 ％，幅度稳定性好；

2、THD小：本发明的LCC拓扑有三个参数(一个谐振电感，两个谐振电容)可以进行精细调节，达到很好的谐波抑制效果，本发明所设计的电源输出的正弦波THD＜1％；

3、效率高：本发明的LCC拓扑软开关特性良好，可以满足绝大多负载情况下的软开关，保证了电源绝大多数负载情况的高效率输出。

4、可靠性高：采用BUCK加全桥LCC谐振电路结构，稳压调整在BUCK稳压电路一级，全桥定频全脉宽，不需要脉宽调制，避免了全桥拓扑常见的直通和交叉导通问题，从而提高了电路的可靠性。

本发明LCC谐振式高频正弦波电源，能够产生高频的具有良好的幅度稳定性、频率稳定性和较小的THD的正弦波电源,打破了传统正弦波电源输出频率的限制瓶颈，能够大大的提高正弦波电源的输出频率，从而满足高品质正弦波电源的设计需要。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明LCC谐振式高频正弦波电源的结构框图。

图2是本发明的电路拓扑分析仿真的原理图。

图3是本发明中的电源增益图，图中为当C_r＝C_e，即k＝1时电源输出增益与f_s/f₀、Q之间的三维曲线图式中ω₀为谐振角频率，R_o为输出等效负载)。

图4为k＝1时，LCC拓扑增益G(n)与n及Q的关系曲线图。

图5为k＝1时，LCC拓扑输出正弦波电压的三次谐波与n及Q的关系曲线图。

图6是本发明通过saber软件电路仿真计算时的输出可变负载的阻值变化情况。

图7是本发明通过saber软件电路仿真计算出的输出负载响应度以及输出正弦波电源的快速傅里叶变换(FFT-Fast Fourier Transform)分析。

图8是本发明通过saber软件电路仿真计算出的电压输出波形与标准正弦波比较。

图9是本发明以多波束体制行波管灯丝加热为例应用LCC谐振式高频正弦波电源进行电路设计的电路原理图。

具体实施方式

LCC谐振式变换器(L电感、C电容、C电容)为一个电感与两个电容串联形成的谐振变换器，其中一个电容两端作为谐振槽路的输出接入变压器初级，其组成原理如图2所示。

如图1所示，本发明LCC谐振式高频正弦波电源，包括：

输入整流滤波电路1，用于将供电输入的交流电压整流滤波为直流电压；

BUCK开关电路2，用于根据正弦波电源输出的取样反馈进行直流电压变换，输出可调直流电压；

全桥开关电路3，用于根据可调直流电压，产生一个频率稳定、占空比恒定的脉冲电压；

LCC谐振变换电路4，用于将脉冲电压变换为正弦波电压；

变压器5，用于正弦波电压的隔离输出；

电压取样电路6，用于对正弦波电压输出取样，反馈至BUCK开关电路2；

所述输入整流滤波电路1、BUCK开关电路2、全桥开关电路3、LCC谐振变换4、变压器5依次串联，所述电压取样电路6的输入端与变压器5的输出端相连，输出端与BUCK开关电路2的控制端相连，所述输入整流滤波电路1的输入端作为电源的输入端，所述变压器5的输出端作为电源的输出端；

供电输入的交流电压，经输入整流滤波电路1整流滤波为直流电压，BUCK开关电路2根据正弦波电源输出的取样反馈，将直流电压变换为可调直流电压输出给全桥开关电路3，由全桥开关电路3产生一个频率稳定、占空比恒定的脉冲电压，经LCC谐振变换电路4变换为正弦波电压，由变压器5隔离输出，电压取样电路6对正弦波电压输出取样，反馈至BUCK开关电路2，调节BUCK开关电路2的电压输出。

采用BUCK加全桥LCC谐振电路结构，稳压调整在BUCK稳压电路一级，全桥定频全脉宽，不需要脉宽调制，避免了全桥拓扑常见的直通和交叉导通问题，从而提高了电路的可靠性。

图2是本发明的电路拓扑分析仿真的原理示意图。本发明所述LCC为下面继续根据该原理示意图对本发明的电路特性进行分析和仿真。图中变压器T为1：1变压器，根据该模型进行电路分析，输入电压为U_s(频率稳定、占空比恒定的脉冲电压，在本发明中由全桥开关电路部分产生)，输出负载为R_o，输出电压为U_o，谐振电感电容如图所示分别为L_r、C_r，并联在变压器T初级的电容为C_e。

本发明的LCC拓扑通过LCC谐振变换电路实现全桥开关电路的软开关，可以满足绝大多负载情况下的软开关，保证了电源绝大多数负载情况的高效率输出。

输入电压U_s的傅里叶展开为

$U_s=\underset{l=2m-1}{\mathrm{\Σ}}\frac{4V_s}{\mathrm{l\π}}\sin \left({\mathrm{lm}}_{s}t\right)---\left(1\right),$

可计算得到电路的传递函数

$H\left(s\right)=\frac{s{\mathrm{RC}}_r}{(s^2{L}_r{C}_r+1)(s{\mathrm{RC}}_e+1)+\mathrm{sR}{C}_r}---\left(2\right),$

令 $\frac{C_e}{C_r}=k,\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{{\mathrm{\ω}}_0}=n,Q=\frac{{\mathrm{\ω}}_0{L}_r}{R}$ (ω0为谐振角频率 ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{L_r{C}_r}}$ )，可以化简得到

$H\left(j{\mathrm{\ω}}_s\right)=\frac{1}{[k(1-n^2)+1]+Q(n-\frac{1}{n})j}---\left(3\right),$

则电路的幅频特性为

$\left|H\left(j{\mathrm{\ω}}_s\right)\right|=\frac{1}{\sqrt{[k(1-n^2)+1{]}^2+Q^2{(n-\frac{1}{n})}^2}}---\left(4\right).$

图3是根据式(4)得到的相频特性所作的电源增益图，图中为当C_r＝C_e，即k＝1时，电源输出增益与n、Q之间的三维曲线图，从图中可以看出电源输出增益与n、Q关系的变换趋势。

图4为k＝1时，LCC拓扑增益G(n)与n及Q的关系曲线，曲线G是Q为6的G(n)曲线，曲线F是Q为2的G(n)曲线，曲线E是Q为1的G(n)曲线，曲线D是Q为0.5的G(n)曲线，曲线C是Q为0.2的G(n)曲线，曲线B是Q为0.1的G(n)曲线。从图中可以看出不同Q值的曲线在n＝1处增益相同，也就是说n＝1时，电路增益G与Q无关，即与负载无关。所以，当工作频率点选择在n＝1时，电路增益不随负载变化，理论上负载空满载变化输出电压幅度不变，即理论空满载电压超调为0。

根据式(1)和式(4)可以得到输出电压U_o

$U_o=\underset{l=2m-1}{\mathrm{\Σ}}\frac{4V_s\sin l{\mathrm{\ω}}_{s}t}{\mathrm{l\π}\sqrt{{[k(1-l^2{n}^2)+1]}^2+Q^2{(\mathrm{nl}-\frac{1}{\mathrm{nl}})}^2}}---\left(5\right)$

可以计算出电源输出电压的THD

$\mathrm{THDV}=\sqrt{{[k(1-n^2)+1]}^2+Q^2{(n-\frac{1}{n})}^2}\×\sqrt{\underset{l=2m-1}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{l^2{\{{[k(1-l^2{n}^2)+1]}^2+Q^2{(\mathrm{nl}-\frac{1}{\mathrm{nl}})}^2\}}^2}}---\left(6\right)$

本发明的LCC拓扑相比传统的PRC具有更好的负载响应能力，电源由额定负载突变至空载时,电压超调小于5 ％，幅度稳定性好。

图5为k＝1时，LCC拓扑输出正弦波电压的三次谐波与基波之比和n及Q的关系曲线。曲线G是Q为6的T(n)曲线，曲线F是Q为2的T(n)曲线，曲线E是Q为1的T(n)曲线，曲线D是Q为0.5的T(n)曲线，曲线C是Q为0.2的T(n)曲线，曲线B是Q为0.1的T(n)曲线。从曲线中可以看出当n＝1时，三次谐波与基波之比和Q值相关不大，从计算表格到得的数据可以知道n＝1时，所有曲线值都小于0.05，所以n＝1不仅可以取得较好的增益负载响应，还可以在各种Q值(即各种负载情况下)都有小的谐波畸变。

图6图7是图2电路的saber仿真波形，在该电路中，根据前面理论推导的结果可知选择k＝1，n＝1可以获得良好的负载调制率和小的THD。所以

较佳的，开关频率选择50kHz，

较佳的，L_r选择20uH，

较佳的，C_r选择0.51uF,

较佳的，C_e选择0.51uF,

图6是本发明通过saber软件电路仿真计算时的输出可变负载的阻值变化情况，可以看出负载由满载时的20Ω变成半载的40Ω再变成80Ω，最后变成几乎空载的5kΩ。图7是本发明通过saber软件电路仿真计算出的输出负载响应度以及输出正弦波电源的FFT分析。从图7上图可以看出输出正弦波的幅度随着负载变化的情况，从满载时的27.196V变化成空载的28.271V，电源由满载变为空载时，电压超调小于4％。从图7中可以看到三次谐波比基波小39.9dB，五次谐波比基波小44.7dB，七次谐波比基波小49.0dB。可计算总的THD约万分之一。

本发明的LCC拓扑有三个参数(一个谐振电感，两个谐振电容)可以进行精细调节，达到很好的谐波抑制效果，本发明所设计的电源输出的正弦波THD＜1％。

理论计算和仿真得到的THD有些许不同，这是因为理论计算的方波是理想方波，所包含的谐波分量较大，而仿真中的方波更接近工程实际中的波形，具有10ns的上升沿和下降沿，所包含的谐波分量较小，故而仿真得到的THD比理论计算的THD小许多，且更具实际参考意义。

图8是本发明通过saber软件电路仿真计算出的电压输出波形与标准正弦波比较。可以看出图中的标准正弦波与本发明设计的正弦波输出几乎吻合，更形象地说明了本发明设计的正弦波电源具有小的波形失真度。

如图9所示，所述全桥开关电路(3)，包括一个定频全桥输出控制芯片3895(31)及其外围电路、两个驱动芯片2110(321、322)及其外围电路、两个隔离驱动变压器(331、332)和一组全桥开关管电路(34)；

所述第一驱动芯片2110(321)的Hin与控制芯片3895(31)的OUTA相连，第一驱动芯片2110(321)的Lin与控制芯片3895(31)的OUTB相连，第一驱动芯片2110(321)的Ho与第一隔离驱动变压器(331)的初级PIN2相连，第一驱动芯片2110(321)的Lo与第一隔离驱动变压器(331)的初级PIN3相连，第二驱动芯片2110(322)的Hin与控制芯片3895(31)的OUTC相连，第二驱动芯片2110(322)的Lin与控制芯片3895(31)的OUTD相连，第二驱动芯片2110(322)的Ho与第二隔离驱动变压器(332)的初级PIN2相连，第二驱动芯片2110(322)的Lo与第二隔离驱动变压器(332)的初级PIN3相连，全桥开关管电路(34)接两个隔离变压器(331、332)的次级。

如图9所示，所述LCC谐振变换电路(4)包括谐振电感(41)、第一谐振电容(42)和第二谐振电容(43)，所述谐振电感(41)、第一谐振电容(42)、第二谐振电容(43)依次串联，两端接全桥开关电路(3)的输出，所述第二谐振电容(43)的两端与所述变压器(5)的初级并联。

本电路中选择UC3895作为定频全桥输出的控制芯片，选择IR2110作为驱动芯片，可以满足20kHz到500kHz的全桥变换器的控制驱动要求。保护取样绕组与行波管灯丝稳态电阻相同，可以保证负载最小时也可以达到满载时的1/5，保证了输出电压幅度的稳定和小的THD值，可以不用反馈控制前级的BUCK稳压部分，只需要BUCK稳压部分输出稳定的电压，即可保证行波管灯丝加热电压的稳定度。同时，变压器的五个绕组均匀绕制和相同负载也保证了多路输出的一致性。

本发明LCC谐振式高频正弦波电源，能够产生高频的具有良好的幅度稳定性和小的THD的正弦波电源。打破了传统正弦波电源输出频率的限制瓶颈，能够大大的提高正弦波电源的输出频率，从而满足高品质正弦波电源的设计需要。

Claims (3)

1.一种LCC谐振式高频正弦波电源，其特征在于，包括：

输入整流滤波电路(1)，用于将供电输入的交流电压整流滤波为直流电压；

BUCK开关电路(2)，用于根据正弦波电源输出的取样反馈进行直流电压变换，输出可调直流电压；

全桥开关电路(3)，用于根据可调直流电压，产生一个频率稳定、占空比恒定的脉冲电压；

LCC谐振变换电路(4)：用于将脉冲电压变换为正弦波电压；

变压器(5)：用于正弦波电压的隔离输出；

电压取样电路(6)：用于对正弦波电压输出取样，反馈至BUCK开关电路(2)；

所述输入整流滤波电路(1)、BUCK开关电路(2)、全桥开关电路(3)、LCC谐振变换(4)、变压器(5)依次串联，所述电压取样电路(6)的输入端与变压器(5)的输出端相连，输出端与BUCK开关电路(2)的控制端相连，所述输入整流滤波电路(1)的输入端作为电源的输入端，所述变压器(5)的输出端作为电源的输出端；

供电输入的交流电压，经输入整流滤波电路(1)整流滤波为直流电压，BUCK开关电路(2)根据正弦波电源输出的取样反馈，将直流电压变换为可调直流电压输出给全桥开关电路(3)，由全桥开关电路(3)产生一个频率稳定、占空比恒定的脉冲电压，经LCC谐振变换电路(4)变换为正弦波电压，由变压器(5)隔离输出，电压取样电路(6)对正弦波电压输出取样，反馈至BUCK开关电路(2)，调节BUCK开关电路(2)的电压输出。

2.如权利要求1所述的LCC谐振式高频正弦波电源，其特征在于：所述全桥开关电路(3)，包括一个定频全桥输出控制芯片3895(31)及其外围电路、两个驱动芯片2110(321、322)及其外围电路、两个隔离驱动变压器(331、332)和一组全桥开关管电路(34)；

所述第一驱动芯片2110(321)的Hin与控制芯片3895(31)的OUTA相连，第一驱动芯片2110(321)的Lin与控制芯片3895(31)的OUTB相连，第一驱动芯片2110(321)的Ho与第一隔离驱动变压器(331)的初级PIN2相连，第一驱动芯片2110(321)的Lo与第一隔离驱动变压器(331)的初级PIN3相连，第二驱动芯片2110(322)的Hin与控制芯片3895(31)的OUTC相连，第二驱动芯片2110(322)的Lin与控制芯片3895(31)的OUTD相连，第二驱动芯片2110(322)的Ho与第二隔离驱动变压器(332)的初级PIN2相连，第二驱动芯片2110(322)的Lo与第二隔离驱动变压器(332)的初级PIN3相连，全桥开关管电路(34)接两个隔离变压器(331、332)的次级。

3.如权利要求1所述的LCC谐振式高频正弦波电源，其特征在于：所述LCC谐振变换电路(4)包括谐振电感(41)、第一谐振电容(42)和第二谐振电容(43)，所述谐振电感(41)、第一谐振电容(42)、第二谐振电容(43)依次串联，两端接全桥开关电路(3)的输出，所述第二谐振电容(43)的两端与所述变压器(5)的初级并联。